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1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)作為一種新型發(fā)電方式,因?yàn)槠淠茉垂?yīng)的零污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、高能量轉(zhuǎn)換效率、對(duì)燃料的廣泛適應(yīng)性、供電規(guī)模多元化和安裝地點(diǎn)靈活等一系列優(yōu)點(diǎn),已成為新能源開(kāi)發(fā)的研究熱點(diǎn)。 由于SOFCs在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要經(jīng)歷復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程,因此,SOFCs輸出功率密度和力學(xué)性能直接影響其能量轉(zhuǎn)換效率和使役壽命。然而,能量轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)性能受SOFCs部件材
2、料離子導(dǎo)電率、陽(yáng)極/電解質(zhì)/陰極界面電阻的影響和化學(xué)反應(yīng)活性面積的相互依賴的影響,難以用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定各個(gè)影響參數(shù)對(duì)SOFCs性能的影響。為此,利用模擬計(jì)算技術(shù)來(lái)選擇和優(yōu)化SOFCs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)和電池運(yùn)行條件是改善和提高其綜合性能的行之有效的方法之一。 基于SOFC工作原理,對(duì)其系統(tǒng)內(nèi)固―氣共存多相傳熱傳質(zhì)建立熱流模型,采用“塵氣模型”(Dust Gas Model)研究了多組分氣體在流道和多孔介質(zhì)內(nèi)的傳輸,率先采用改進(jìn)的B
3、FD(Brinkman-Forschheimer-Darcy)模型,描述氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流,考慮了混相多組分氣體在傳輸過(guò)程中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量源項(xiàng),然后提出采用有限元軟件和外部子程序的方法對(duì)此模型進(jìn)行求解。 首次建立了針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料的SOFCs的智能化電化學(xué)模型,定量描述SOFCs系統(tǒng)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中伴隨的化學(xué)反應(yīng)與熱流電化學(xué)模型的耦合關(guān)系,研究了瓦楞和多面體SOFCs復(fù)雜結(jié)構(gòu)電極內(nèi)和電解質(zhì)內(nèi)的電子三維不定向遷移、電流、
4、電壓和輸出功率與系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)程度和速度的關(guān)系,并介紹軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了無(wú)須重新前處理的智能化、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和FLUENT二次開(kāi)發(fā)。 為避免電極和電解質(zhì)間界面接觸狀態(tài)影響電池輸出功率和由于熱膨脹系數(shù)差異引起高溫循環(huán)操作后的剝離或“串氣”,率先在SOFC電極和電解質(zhì)之間引入了功能梯度層,保證了在熱膨脹系數(shù)差異較大的陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)之間的梯度層物性參數(shù)和孔隙連續(xù)漸變,尋求兼高能密度和較好力學(xué)性能的SOFCs最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5、 為了擴(kuò)大燃料氣適應(yīng)性,研究了碳?xì)浠衔锘旌蠚怏w作為燃料氣的SOFCs的綜合性能,考慮了甲烷氣體的重整反應(yīng)、可逆的水交換反應(yīng)以及電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中多種化學(xué)反應(yīng)機(jī)制對(duì)輸出功率密度的影響。率先發(fā)現(xiàn)碳?xì)浠衔镒鳛槿剂蠚庠谛⌒蚐OFCs能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中氫氣逐漸增多的趨勢(shì),據(jù)此提出了采用碳?xì)浠衔锖推湮矚庋h(huán)供應(yīng)燃料氣的方法,并從理論上闡明了碳?xì)浠衔镒鳛槿剂蠚獾膶?duì)工業(yè)尾氣回收利用的可行性。 首次基于SOFCs實(shí)際工作運(yùn)行過(guò)程中的溫度分布,
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